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26 settembre 2006

RAPSODIAsilicon –on –diamond devices

Proponenti:Firenze/ Perugia

26 settembre 2006 Sommario• Oggetto della Proposta: silicon-diamond wafer-bonding

• Materiali compositi e Wafer-bonding

• Prospettive

• Stato della tecnologia silicon-on-diamond (semiconductor ondiamond)

• Proprietà termiche del diamante (breve cenno)

• Attività proposta nel 2007:

i. realizzazione del wafer-bonding (discussione dellestrategie adottate e delle difficoltà da superare).

ii. Caratterizzazione delle interfacce

• Preventivi di spesa (ridotti) per l’attività di ricerca proposta

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26 settembre 2006 Oggetto:Realizzazione di giunzioni SOD

(Silicon on Diamond)

Silicio:elettronica integrata,

sensore

Diamante:Heat-spreader e isolante

(CVD Diamant- IAF )

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26 settembre 2006Materiali compositiIl grande interesse dell’industria elettronica per i materialicompositi è dovuta ai problemi posti dalla richiesta di alti

livelli di integrazione (densità di transistors), di alteprestazioni (frequenza, I/O ottici) e dalla conseguente

densita`di potenza da dissipare.

Il Silicon-On-Insulator (SOI) [p. 6-7] è una risposta consolidataanche se in evoluzione e con recenti interessanti aperture alcampo della rivelazione di particelle ionizzanti (pixel detectors)[p. 8-9].

Nuovi materiali semiconduttori tipo (Si,GaN)-On-Diamond sono incorso di sperimentazione o sono stati appena annunciati [P. 10-13] Inquesti, il diamante gioca il ruolo (meccanico) del SiO2-Si nel SOI ma,

soprattutto, è l’efficiente dissipatore di calore [P. 10-13].

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26 settembre 2006 Wafer-bondingAlla base dei materiali compositi c’è (spesso) una tecnica disaldatura (wafer bonding) capace di unire tenacemente e

intimamente (saldatura “atomica”) materiali diversi fra loro.

La realizzazione della giunzione puo` avvenire o con l’utilizzodi catalizzatori a pressione ambiente e temperature

contenute o ricorrendo a pressioni e temperature elevate.In entrambi i casi le superici dei due materiali devono

essere accuratamente pulite e lucidate.

Per la coppia silicio-diamante non è ancora consolidata latecnica di bonding.

La tecnica di wafer bonding dipende dal tipo di materialiutilizzati ma, entro certi limiti, non dalla loro qualita`eprovenienza.

26 settembre 2006 ProspettiveL’acquisizione di una tecnologia di wafer-bonding Si-Diamondha una valenza ampia, spendibile in ambito INFN anche a

livello di componentistica di sistemi di rivelazione complessi,là dove sia richiesto un’efficiente dispersione di calore

(Virgo, RAPS,...).

Lo scopo della proposta NON E’ lo studio deldiamante ma la tecnica di bonding Silicio-

Diamante policristallino (pCVD)

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26 settembre 2006

Prospettive (II): possibili dispositivi

Diamante come supporto e heatspreader per la tecnologia RAPS

(RAPS On DIA)

SOD con spessore di ~10 µm didiamante

(micro-patterning del diamante conplasma etching)

p+n+

diamante

p wellE

p+

26 settembre 2006 SOI: geometria/vantaggiIntegrazione dell’elettronica su

strati di Si < 1 µmSpessore dello strato isolante

(SiO2) ≤ 1µm

Supporto meccanico Si≈ 300 µm

La tecnologia SOI e` usata da molti costruttori di chip contecnologie 130 nm, 90 nm( IBM, AMD, INTEL,.. )

Due tecnologie costruttive : SIMOX, Wafer Bonding

Migliore performance-per-watt, velocità dei

dispositivi

Minore sensibilita`alle radiazioni ionizzanti deidispositivi Ma...

Pessima conducibilita`di calore (dovuta al SiO2)

26 settembre 2006Perché non utilizzare il supporto

SOI per realizzare Pixel Detectors?

150x150 µm2, 128x128 canali

supporto SOI ad alta resistività

giunzioni disposte in 2D attraverso l’ossido(PIXEL), detector FZ >4kΩ cm, 300 µm

elettronica sullo strato superficiale di Si, ~10

Ωcm,1.5 µm in corrispondenza di un pixel

(Jastrzab et al.,

NIMA 560 (2006) 31)

Vedi anche: Int. Symp. onDetector Devel.SLAC, CA, April 5, 2006Yasuo Arai (KEK)

26 settembre 2006

Da SOI a Semiconductor-On-D

2” GaN on Diamond

26 settembre 2006

Silicon-on-diamond: An advanced silicon-on-insulator technology

Diamond & Related Materials 14 (2005) 308– 313

1.5 µm thick Si

3 ×30 µm2 heater stripsand two 3 ×30 µm2

Heat sink di rame

50 µm thick diam

26 settembre 2006

Thermal imaging del profilodi temperatura

Auto-riscaldamento del punto caldo

Potenza applicata

26 settembre 2006

And it would be farbetter for a

thinner Si devicelayer and diamond

with higherthermal

conductivity.

(1) The thermal load is spread over an area much larger than theheater for the SOD sample, while it is concentrated

primarily below and around the heater for the SOI sample;and (2) the applied power density for the SOD sample is more

than one order of magnitude higher. The SOD sample can handle~12.5 times more power than the SOI sample

26 settembre 2006 www.diamond-materials.com

Proprietàtermiche deldiamante CVDcommerciale

Da:

DiamondMaterials

Spin-off delFraunhöfer

Insitut

26 settembre 2006

Proprietàtermiche deldiamante CVDcommerciale

Le proprietàtermiche

ed ottiche deldiamante

policristallinoCVD eguagliano

quelle deldiamante

singolo cristallo

RTrame

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Proprietàtermiche deldiamante CVDcommerciale

Calore specifico relativamente basso…

RT0.5 J/g

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Diamante CVD come heat spreader

D = K /ρ c =12.5 cm2/s

Conducibilità termica 20 W/cm K (più alta di qualsiasi sostanza a T ambiente)

Bassa densità3.52/cm3

Basso calore Specifico: 0.5 J/g K

Diffusività termica D altissima(più di 10 volte quella del rame)Il diamante diffonde il calore

molto velocementeE’ un heat-spreader

ideale

26 settembre 2006

Diamante CVD come heat-spreader• Condizioni meno stringenti sulla qualità del

thermal/optical grade diamond rispetto al detector-grade• Grande mercato : è realistico pensare ad un forte calo del costo/ unità di superficie, nei prossimi anni

Molti produttori sul mercato (non solo De Beers): Sumitomo,Diamonex, sp3, Apollo Diamond, Diamond Materials etc…

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26 settembre 2006

Attività di Ricerca:wafer-bonding

• Il diamante utilizzato fino a ora per wafer-bonding èaltamente difettoso poche decine di micrometri dalsubstrato di nucleazione (SOD-N).

• Come in altre applicazioni ad alta tecnologia vogliamoutilizzare il lato di crescita rimosso a ~100 µm dalsubstrato (SOD-G)

• Il materiale (diamante) di qualità cristallina ottimale(unbowed, unstressed) a bassa concentrazione di bordi digrano, può essere quindi saldato al materiale (silicio) diqualità elettronica ottimale

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26 settembre 2006

Precedenti tentativi di wafer-bonding• Il diamante è stato saldato al silicio per diffusione ad una

pressione di 300 atm e a una temperatura di 850-950 oC

Ci proponiamo di acquisire e ovepossibile migliorare questa

tecnologia per orasu piccole superfici (~1 cm2)

Scale-up a 5 x 5 cm2 realisticoG.N. Yushin et al. Wafer bonding of highly orienteddiamond to silicon, Diamond & Related Materials 13(2004) 1816–1821

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26 settembre 2006

Occorre portare la temperatura del processo a 1000 K(~750oC) per evitare stress di trazione al diamante policristallino

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0

1

2

3

4

5

200 600 1000 1400

diamante

silicio

α [10−6/Κ]Problemi da risolvere: Thermal mismatch

I difetti di saldatura con questa tecnica si presentano ai bordidi grano del diamante a temperature superiori a 950 oC

T [Κ]

26 settembre 2006

Strategie per migliorare la tecnica di waferbonding rispetto al recente stato dell’arte

Diminuzione della temperatura e aumento dellapressione esercitata/ aumento del tempo diprocesso

Trattamenti preliminari delle superfici(lappatura, parallelismo, pre-trattamentitermici)

Cicli di annealing a temperature intermedisaranno utilizzati per riportare la strutturaa temperatura ambiente, dove ilcoefficiente di dilatazione termica èdiverso per i due materiali di un fattore2.6.

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26 settembre 2006Secondo metodo: wafer bonding con

catalizzatore• Sinergia con il gruppo

Virgo di Perugia (L. Gammaitoni,H. Vocca)

• Esperienza consolidata dibonding SiO2-SiO2 (silicatebonding)

• Reallizati anche bonding Si-Zaffiro(Al2O3), Si-Si, Al2O3-Al2O3, Si-Al2O3 con varieorientazioni cristalline.

Fused silica wires saldati allospecchio di quarzo

(35 cm diam, 10 cm, 21 Kg)

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26 settembre 2006

E' un “incollaggio atomico” a pressione e temperatura normali,che utilizza un catalizzatore (in generale il KOH) per creare una

reazione tra le molecole del materiale e gli ioni OH-.

KOH

Si

O

Si

Si

O

Si

O O

OO

(1)

Si

O

Si

O H

Si OHO

HOO H

(3) Si

O

Si

O

O

(4)OSi

OSi

Si

O

Si O Si

O

O

Si

O

O

OO

Si

O

O

Si

O

O

O

Si

O

O

Si

O

O

O Si

O

Si(5)

Si

O

Si

OH-

OH-

K+

K+

(2) H3O+

OH-

Si vuole indagare l’utilizzo di taletecnica, cambiando il

catalizzatore (altre basi odacidi), per saldatura di Silicio con

Diamante.

Silicate bonding

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26 settembre 2006

Apparato UHV adalta pressione e alta

temperaturaproposto

(Descrizione schematica)

Sistema di spintaesterno

Soffietto UHV solidalecon il pistone interno

In grado di esercitare (almeno) 1000 atm su 25 mm2

Un successivo scale-up non comporta particolari problemi

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26 settembre 2006 Apparato ad altapressione e alta

temperatura

Portacampione e riscaldatore

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Schermo termicoallumina

Pistone e blocco di acciaio

Blocchi

riscaldati

SOD e buffermaterial (BN)

5 X 5 mm2

invito

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Caratterizzazione dei campioni(prima) e dell’interfaccia

(dopo il processo)• Diffrazione X (orientazione cristallina,

stress residui)• Microscopia SEM, AFM,(morfologia

lucidatura) TEM (difetti cristallini)• Misura della conducibilità termica• Caratterizzazione elettrica interfaccia

26 settembre 2006

Preventivo proposto 2007

Firenze Perugia Totale

Apparato/messaa punto

Wafer-bonding

18 10 28

Preparazionecampioni e

caratterizazioniinterfaccia SOD

7 3 10

Totale 25 13 38

26 settembre 2006

Composizione del gruppo

• FirenzeAlessio Fossati, AR 100 %Stefano Lagomarsino, Ass 100 %Anna Macchiolo, AR. 20%Simone Paoletti, Ric. 20 %Giuliano Parrini, PA 30%Silvio Sciortino Ric. 50%

3.2 FTE

• PerugiaMancarella Fulvio, AR 40 %Moscatelli Francesco, AR. 70 %Andrea Scorzoni, PA 100%

2.1 FTE

Collaborazione esternaLuca GammaitoniHelios Vocca (Gruppo Virgo Pg)

26 settembre 2006

Conclusioni• La proposta è stata riformulata PER UN

ANNO con preventivo ridotto al 50%Focalizzata sulla realizzazione del

materiale composito• Formulazione e discussione del proseguimento

SJ al risultato raggiunto

26 settembre 2006

Trasparenze di appoggio• SOI 1-2• HOD 3• Diamante come rivelatore di radiazione

26 settembre 2006

Esempio di PIXEL -SOI (130x130 µm2)

Detector FZ

>4kΩ cm , 300 µm

Elettronica

~10 Ω cm

1.5 µm isolante

Realizzati blocchi di 128 × 128 canali

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Highly Oriented Diamond

Van der Drift evolutionary selection

thickness of 15 µm.

S.K. Han et al. / Diamond and Related Materials 9(2000) 1008–1012

26 settembre 2006

Definiamo la Charge Collection Distance come ilprodotto dell'efficienza di raccolta

η=Q/Q0 per lo spessore del materiale Wd=η×W

dove Q è la carica misurata e Q0 è la carica prodottaall'interno del rivelatore:

Si=89 coppie e-h/µmD=36 coppie e-h/µm

• d è la distanza media percorsa dai portatori prima chesiano (i) intrappolati, (ii) che si ricombinino, (iii) cheraggiungano gli elettrodi.

Charge Collection Distance

26 settembre 2006

Diamante come rivelatore• Bassa capacità, costante dielettrica metà di

quella del silicio• Alta velocità dei portatori: 2 10 7 cm/s a 1 V/µm(Diamond detectors with subnanosecond time resolution for heavy

ion spill diagnostics, E. Berdermann GSI Darmstadt)• Alta tolleranza da radiazione: operativo fino a

2 1016/cm2

Limitato nelle prestazioni dalla natura policristallina(pCDV)Il diamante singolo cristallo (scCVD) è attualmenteprodotto con un area massima di 1.4 x 1.4 cm2 (DeBeers)

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rn !=

Low capacitance εr =5.7up to a frequency of 3500 GHzabout half that of silicon

Diamond properties

From: Diamond Material gmbH

High mobility (at 1 V/µm)Holes: 2064 cm2 /V sElectrons: 1714 cm2 /V s

High drift velocity (at 1 V/µm)Holes: 0.96 107 cm/ sElectrons: 1.41 107 cm/ s

H. Pernegger, S. Roe, P.Weilhammer et al.J. Appl. Phys. 97, 073704 (2005)

26 settembre 2006

36 pairs/mm generated by MIPsCharge Collection Distance:

[ ]36

electrons of# m CCD =µ

0 10000 20000 30000

0

1000

2000

3000

4000

5000

Co

un

ts

# electrons

Deconvoluted Landau

0 20 40 60 800

2000

4000

6000

8000

10000

12000

# e

lect

ron

s

T [ o C ]

CCD=260 µm

We have demonstrated Operation up to 80 oC

5 % lossin 80 oC

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Very low leakage currentsThermallyStimulatedCurrents

on neutronirradiatedpolyCVDdiamondS. Miglio

Dept. EnergeticsFlorence

Diploma Thesis

Sample UTS1: 5×5 mm2

Leakage currente less than 1pA at 300 KAnd lowers after neutron irradiation!

26 settembre 2006

CCD e Spessore (polycrystalline)

I punti blu rappresentano il campione in cui viene gradualmenterimosso materiale difettoso, quelli rossi il procedimentoinverso, in cui viene rimosso il materiale dal lato di crescita

80 µm

2500 e-

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Status of Experiments on CVD Diamond DetectorsHarris Kagan, Ohio State

University RESMDD 2004, October 10-13, 2004 - Florence, Italy

Riproducibilità

Valore std 2006300 µm

26 settembre 2006

La CCD del diamante decade ad 1/e dopo 1.25 1016 p/cm2

Il diamante può quindi operare dopo fluenze di adronipari a 2 1016 /cm2 a T ambiente, a relativamente bassa

tensione (1V/µm)

Radiation Hardness pCVD

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Recente prototipo di Pixel detector basato

su polycrystalline CVD diamondW. Adam et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 565 (2006) 278–283

2 x 6 cm2

x

y

pixel pitch 50 µm (direzione y), lunghezza400 µm (direzione x),

26 settembre 2006

Diamond pixel detector• elettronica utilizzata: ATLAS IBM 0.25 µm• Beam test a DESY (2005)• Rumore 136 e-, soglia 1350 e-• Efficienza: 98 % rispetto al telescopio di

riferimento• risoluzione: 23 mm lungo in direzione y

(contro 37 µm del Si quando misurato a Desy)

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• Il SOD è stato realizzato con crescita eteroepitassiale(highly oriented diamond, HOD) di diamante su silicio,e capovolgendo il materiale (Articolo citato)

Il substrato diventa lo strato di silicio del SOD

Lo heat-spreader (diamante) viene saldato allo heat sink (rame)

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RAPS (On DIA)p+n+

diamante

p wellE

p+

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SOD

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Costo attuale delthermal-grade

diamond50 $/cm2

(in ulteriorediminuzione)

www.sp3inc.com

$/mm2

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